他勵直流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、 JIU JIANG UNIVERSITY 電機(jī)拖動課程設(shè)計 題 目 他勵直流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 英文題目 The design of separately excited DC motor speed control system 院 系 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 軌道交通信號與控制 姓 名 鄒文靜 班級學(xué)號 A1341 05 指導(dǎo)老師 王萍 l二零一六年十月摘 要直流電動機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能；能夠快速起、制動，正、反轉(zhuǎn)；能在十分寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)速度，因此在一些要求較高的電力拖動系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用。在一些機(jī)床、電氣牽引機(jī)車和起重設(shè)備中，都采用了直流電動機(jī)拖動。在生

2、產(chǎn)實踐中，有許多生產(chǎn)的機(jī)械根據(jù)工藝要求需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，改變生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速可以采用該變傳動機(jī)構(gòu)的速比實現(xiàn)，這種方法稱為機(jī)械調(diào)速，在生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是電氣調(diào)速，即認(rèn)為改變電動機(jī)的參數(shù)，從而得到不同的參數(shù)。他勵直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，它能在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無極調(diào)速，本文主要介紹了他勵直流電動機(jī)的調(diào)速原理，包含了電樞串電阻、降低電壓電源和弱磁調(diào)速，主要用到的是降低電壓與弱磁結(jié)合的方式。關(guān)鍵詞：他勵直流電動機(jī)；調(diào)速；轉(zhuǎn)速；- I -目 錄摘 要II第一章 直流電機(jī)4第二章 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理52.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)52.2 他勵直流電動機(jī)的工作原理6第三章 他勵直流電動機(jī)的調(diào)速73.

3、1調(diào)速指標(biāo)83.2 電樞串電阻調(diào)速103.3改變電樞電源電壓調(diào)速113.4弱磁調(diào)速12第四章 課程設(shè)計內(nèi)容13總結(jié)15心得體會16參考文獻(xiàn)17- III -第一章 直流電機(jī)直流電機(jī)是是生產(chǎn)和使用直流電能的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)械。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的，稱為直流發(fā)電機(jī)；將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的。成為直流電動機(jī)。它與交流電動機(jī)（如三相異步電動機(jī)）相比，雖然因結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、故障較多等，目前已不如交流電動機(jī)應(yīng)用普遍，但由于它具有優(yōu)良的調(diào)速性能和較大的啟動轉(zhuǎn)矩，得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)僅就直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理、直流電動機(jī)的分類及在印刷設(shè)備中的應(yīng)用、直流電動機(jī)的啟動與調(diào)速做一簡單介紹。下圖為直流電動

4、機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，圖中的N和S是一對固定不動的磁極，用以產(chǎn)生所需要的磁場。容量較大一些的電機(jī)，磁場都是由直流勵磁電流通過繞在磁極鐵心上的勵磁繞組產(chǎn)生。為了清晰，圖中只畫出了磁極的鐵心，沒有畫出勵磁繞組。在N極和S極之間有一個可以繞軸旋轉(zhuǎn)的繞組。直流電機(jī)這部分稱為電樞，而實際電機(jī)的電樞繞組嵌在鐵心槽內(nèi)，電樞繞組的電流稱為電樞電流。 線圈兩端分別與兩個彼此絕緣而且與線圈同軸旋轉(zhuǎn)的銅片連接，銅片上有各壓著一個固定不動的電刷。 在直流電動機(jī)中，為了產(chǎn)生方向始終如一的電磁轉(zhuǎn)矩，外部電路中的直流電流必須改變成電機(jī)內(nèi)部的交流電流，這一過程稱為電流的換向。換向的銅片稱為換向片?；ハ嘟^緣的換向片組合的總體稱為換向

5、器。圖1.1 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理第二章 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定，轉(zhuǎn)子之間有一定的間隙，稱為氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場和對電機(jī)的機(jī)械支撐，主要由主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋、電刷裝置等部件組成。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或電磁轉(zhuǎn)矩，主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部件組成的。（1） 定子部分 1.主磁極 主磁極用來產(chǎn)生氣隙磁場并在電樞表面外的氣隙空間里產(chǎn)生一定形狀分布的氣隙磁密。主磁極由主極鐵芯和勵磁線圈組成，主極鐵芯由11.5mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀，然后疊壓用鉚釘鉚在一起，上面套上事先繞制好的勵磁

6、線圈，整個磁極用螺釘固定在機(jī)座內(nèi)表面上。 2.換向極 換向極是用來改善直流機(jī)的換向性能。換向極是由換向極鐵芯和套在鐵芯上的換向極繞組組成。 3.機(jī)座 機(jī)座一方面用來固定主磁極，換向極和端蓋等部件，并借助于低腳將電機(jī)固定在基礎(chǔ)上，起機(jī)械支撐作用；另一方面它還是電機(jī)主磁路的一部分，叫定子磁軛，導(dǎo)磁作用，機(jī)座一般用導(dǎo)磁性能較好的鑄鋼或厚鋼片焊接而成。 4.電刷裝置 電刷裝置是使固定的電刷與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換器保持滑動接觸，將電樞電路與外電路接通，使電流經(jīng)電刷輸入電樞或從電樞輸出。（2） 轉(zhuǎn)子部分 1. 電樞鐵芯 電樞鐵芯的作用是用來嵌放電樞繞組和通過主磁通。 2. 電樞繞組 電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢和通

7、過電流，實現(xiàn)機(jī)電能轉(zhuǎn)換。 3. 換向器換向器的作用是將電樞線圈中的交流變換為電刷間的直流或?qū)㈦娝㈤g的直流逆變?yōu)殡姌芯€圈中的交流。2.2 他勵直流電動機(jī)的工作原理圖2.1 他勵直流電動機(jī)的工作原理若在A、B之間外加一個直流電壓，A接電源正極，B接負(fù)極，則線圈中有電流流過。當(dāng)線圈處于圖2.1所示位置時，有效邊ab在N極下，cd在s極上，兩邊中的電流方向為ab，cd。由安培定律可知，ab邊和cd邊所受的電磁力為：F=BIL式中，I為導(dǎo)線中的電流，單位為安（A）。根據(jù)左手定則知，兩個F的方向相反，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使線圈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過180°時，cd邊處于N極下，ab邊處于S極上。

8、由于換向器的作用，使兩有效邊中電流的方向與原來相反，變?yōu)閐c、ba，這就使得兩極面下的有效邊中電流的方向保持不變，因而其受力方向、電磁轉(zhuǎn)矩方向都不變。由此可見，正是由于直流電動機(jī)采用了換向器結(jié)構(gòu)，使電樞線圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下使電樞按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。這時電動機(jī)可作為原動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，即由電動機(jī)向機(jī)械負(fù)載輸出機(jī)械功率。在直流電動機(jī)中，除了必須給電樞繞組外接直流電源外，還要給勵磁繞組通以直流電流用以建立磁場。電樞繞組和勵磁繞組可以用兩個電源單獨供電，也可以由一個公共電源供電。按勵磁方式的不同，直流電動機(jī)可以分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵等形式。由于勵磁方式不同，它們的特

9、性也不用。 他勵電動機(jī)的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電，他勵電動機(jī)由于采用單獨的勵磁電源，設(shè)備較復(fù)雜。但這種電動機(jī)調(diào)速范圍很寬，多用于主機(jī)拖動中。 圖2.2 他勵電動機(jī)第三章 他勵直流電動機(jī)的調(diào)速為了提高勞動生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求生產(chǎn)機(jī)械在不同情況下有不同的工作速度，如扎鋼機(jī)在扎制不同的品種和不同厚度的鋼材時，就必須有不同的工作速度以保證生產(chǎn)的需要，這種人為改變速度的方法稱為調(diào)速?？梢杂脵C(jī)械的方法或電氣的方法實現(xiàn)調(diào)速。這里只分析電氣調(diào)速方法及其性能特點。電氣調(diào)速是人為的改變電氣參數(shù)，有意識地使電動機(jī)工作點由一條機(jī)械特性曲線轉(zhuǎn)換到另一條機(jī)械特性曲線上，為了生產(chǎn)需要而對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行的一

10、種控制，它與電機(jī)在負(fù)載或電壓隨機(jī)波動時而引起的轉(zhuǎn)速擾動變化是兩個不同的概念。根據(jù)直流電動機(jī)調(diào)速公式n=可見，當(dāng)電樞電流不變時（即負(fù)載不變），只要在電樞電壓U、電樞電路附加電阻和每極磁通三個參數(shù)中，任意改變一個，都能引起轉(zhuǎn)速的變化。因此，他勵直流電動機(jī)可以有三種調(diào)速方法。為了評價各種調(diào)速方法的優(yōu)缺點，對對調(diào)速方法提出了一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通常稱為調(diào)速指標(biāo)。下面對調(diào)速指標(biāo)做一簡要說明。3.1調(diào)速指標(biāo)（1）調(diào)速范圍調(diào)速范圍是只指電動機(jī)在額定負(fù)載下調(diào)素時，其最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，用D表示，即D=不同的生產(chǎn)機(jī)械對對調(diào)速范圍的要求不同，如車床D=20100，龍門刨床D=1040，扎鋼機(jī)D=1.203等。

11、電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax受電動機(jī)的換向及機(jī)械強(qiáng)度限制，最低轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定（即靜差率）要求的限制。（2）靜差率（調(diào)速的相對穩(wěn)定性）靜差率或轉(zhuǎn)速變化率是指電動機(jī)在一條機(jī)械特性上額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落n與該機(jī)械特性的理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，用*表示，即=式中，n為額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tem=TL時的轉(zhuǎn)速圖3.1從上式可以看出，在n相同時，機(jī)械特性越“硬”，額定負(fù)載時轉(zhuǎn)速降越小，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好，負(fù)載波動時，轉(zhuǎn)速變化也越小。圖3-1中機(jī)械特性1比機(jī)械特性2“硬”。靜差率除了與機(jī)械特性硬度有關(guān)外，還與理想空載轉(zhuǎn)速n0成反比。對于同樣“硬度”的特性，如圖3.2中特性1和特性3，雖然轉(zhuǎn)速將相同，但其靜差率卻

12、不同。為了保證轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性，常要求靜差率應(yīng)不大于某一允許值（允許值）。 圖3.2調(diào)速范圍D與靜差率兩項性能指標(biāo)是相互制約的，當(dāng)采用同一種方法調(diào)速時，靜差率要求較低時，則可以得到較低的調(diào)速范圍；反之，靜差率要求較高時，則調(diào)速范圍小。如果靜差率要求一定時，采用不同的調(diào)速方法，其調(diào)速范圍不同，如果改變電樞電壓調(diào)速比電樞串電阻調(diào)速的調(diào)速范圍大。調(diào)速范圍與靜差率是相互制約的，因此需要調(diào)速生產(chǎn)機(jī)械，必須同時給出靜差率與調(diào)速范圍這兩項指標(biāo)，以便選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)速方法。（3）調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性是指相鄰兩級轉(zhuǎn)速的接近程度，用平滑系數(shù)表示，即 =平滑系數(shù)越接近1，說明調(diào)速的平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，其級

13、數(shù)趨于無窮多，稱為無級調(diào)速，=1，其平滑性最好；調(diào)速不連續(xù)，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。（4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性包含兩方面的內(nèi)容，一是指調(diào)速所需的設(shè)備和調(diào)速過程中的能量損耗，另一方面是指電動機(jī)調(diào)速時能否得到充分的利用。一臺電動機(jī)當(dāng)采用不同的調(diào)速方法時，電動機(jī)容許輸出的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律是不同的，但電動機(jī)實際輸出的功率和轉(zhuǎn)矩是有負(fù)載需要所決定的，而不同的負(fù)載，其所需要的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化的規(guī)律也是不同的，因此在選擇調(diào)速方法時，既要滿足伏在要求，又要盡可能是電動機(jī)得到充分利用。經(jīng)分析可知，電樞回路串電阻調(diào)速以及降低電樞電壓調(diào)速適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速，而若此調(diào)速適用于恒功率負(fù)載的調(diào)速。3.2

14、 電樞串電阻調(diào)速他勵直流電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行時，保持電源電壓及勵磁電流為額定值不變，在電樞回路中串入不同阻值的電阻，電動機(jī)將運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速，如圖33所示，圖中的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。從圖3.3可以看到，當(dāng)電樞回路串入電阻R時，電動機(jī)的機(jī)械特性的斜率將增大，電動機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性的交點將下移，即電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低。圖3.3 電樞串電阻調(diào)速機(jī)械特性如圖3.3中傳入的電阻>,交點的轉(zhuǎn)速低于交點的轉(zhuǎn)速，它們都比原來沒有外串電阻的交點A的轉(zhuǎn)速n低。電樞回路串電阻調(diào)速方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單，調(diào)節(jié)方便，缺點是調(diào)速范圍小，電樞回路串入電阻后電動機(jī)的機(jī)械特性變“軟”，使負(fù)載變動時電動機(jī)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速變化，即

15、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，而且調(diào)速效率較低。3.3改變電樞電源電壓調(diào)速圖3.4他勵直流電動機(jī)的電樞回路不串接電阻，由一可調(diào)節(jié)的直流電源向電樞供電，最高電壓不應(yīng)超過額定電壓。勵磁繞組由另一電源供電，一般保持勵磁磁通為額定值。電樞電壓不同時，電動機(jī)拖動負(fù)載將運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速上。從圖3.4中可以看出，當(dāng)電樞電源電壓為額定值時，電動機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性的交點為A，轉(zhuǎn)速為n；電壓降到后，交點為,轉(zhuǎn)速為；電壓為，交點為，轉(zhuǎn)速為；電壓為，交點為，轉(zhuǎn)速為；電樞電源電壓越低，轉(zhuǎn)速也越低。同樣，改變點數(shù)電源電壓調(diào)速方法的范圍也只能在額定轉(zhuǎn)速與零轉(zhuǎn)速之間調(diào)節(jié)。 改變電樞電源電壓調(diào)速時，電動機(jī)機(jī)械特性的“硬度”不變，因此，集市電動

16、機(jī)在低速運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速隨附在變動而變化的幅度較小，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。當(dāng)電樞電源電壓連續(xù)調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速變化也是連續(xù)的，所以這種調(diào)速稱為無級調(diào)速。改變電樞電源電壓調(diào)速方法的優(yōu)點是調(diào)速的平滑性好，即可實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速效率高，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，缺點是所需的可調(diào)電源設(shè)備投資較高。這種調(diào)速方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛使用。3.4弱磁調(diào)速勵直流電機(jī)電樞電流電壓不變，電樞回路也不串接電阻，在電動機(jī)拖動負(fù)載轉(zhuǎn)矩不很大（小于額定轉(zhuǎn)矩）時，減少直流電動機(jī)的勵磁磁通，可使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速提高。他勵直流電動機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時弱磁調(diào)速，如圖35所示。圖3.5 弱磁調(diào)速機(jī)械特性 從圖3.5中可以看出，當(dāng)勵磁磁通為額定值N時，電動機(jī)和負(fù)

17、載的機(jī)械特性的交點為A,轉(zhuǎn)速為n:勵磁磁通減少為2時，理想空載轉(zhuǎn)速增大，同時機(jī)械特性斜率也變大，交點為A1,轉(zhuǎn)速為n1;勵磁電流減少為1，交點為A2，轉(zhuǎn)速為n2。弱磁調(diào)速的范圍是在額定轉(zhuǎn)速與電動機(jī)的所允許最高轉(zhuǎn)速之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，至于電動機(jī)所允許最高轉(zhuǎn)速值是受換向與機(jī)械強(qiáng)度所限制，一般約為1.2m左右，特殊設(shè)計的調(diào)速電動機(jī)，可達(dá)3 nN 或更高。 弱磁調(diào)速的優(yōu)點是設(shè)備簡單，調(diào)節(jié)方便，運(yùn)行效率也較高，適用于恒功率負(fù)載，缺點是勵磁過弱時，機(jī)械特性的斜率大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，可能會使電樞電流過大。 在實際的電力拖動系統(tǒng)中可以將幾種調(diào)速方法結(jié)合起來，這樣，可以得到較寬的調(diào)速范圍，電動機(jī)可以在

18、調(diào)速范圍之內(nèi)任何轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，而且調(diào)速時的損耗較小，運(yùn)行效率較高，能很好的滿足各種生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的要求。第四章 課程設(shè)計內(nèi)容一臺他勵直流電動機(jī)，參數(shù)如下：PN=29KWUN=440VIN=76AnN=1000r/minRa=0.376采用降低電源電壓及弱磁調(diào)速，要求最低理想空載轉(zhuǎn)速n0min=250r/min，最高理想空載轉(zhuǎn)速n0max=1500r/min.求T=TN時的最低轉(zhuǎn)速及此時的靜差率；求調(diào)速范圍；解：因為T=TN電動勢，有：空載轉(zhuǎn)速低速時采用降壓調(diào)速：靜差率最低轉(zhuǎn)速高速時采用弱磁調(diào)速，U=UN不變，允許最高轉(zhuǎn)速時Ia=IN：因為所以轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍總結(jié)通過以上所討論的關(guān)于他勵直流電動機(jī)的調(diào)速的內(nèi)容，我們可知實現(xiàn)調(diào)速可以有三種不同的方法：改變電樞電阻調(diào)速、改變電樞電壓調(diào)速、改變勵磁電流調(diào)速。具體采用哪種方法要根據(jù)具體需要和各方面實際條件來決定，比如平滑性、穩(wěn)定性。經(jīng)濟(jì)性等。三種調(diào)速方法各有優(yōu)缺點，改變電樞電阻調(diào)速的缺點較多，所以只適用于調(diào)速范圍不大，調(diào)速時間不長的小容量電動機(jī)中；改變電樞電壓調(diào)速是一種性能優(yōu)越的調(diào)速方法，被廣泛應(yīng)用于對調(diào)速性能要求較高的電力拖動系統(tǒng)中；改變勵磁電流調(diào)速通常與改變電樞電壓同時應(yīng)用于對調(diào)速